毫米波宽带H 面波导微带转换结构

李 钰， 翁鹏飞

（华东师范大学 上海200062）

随着毫米波技术在现代无线通讯系统中的广泛应用，对各种高性能单片微波集成电路（MMIC）的需求也日益迫切。微带线是现有毫米波集成电路中最基本的传输线形式，各个MMIC 单片主要采用微带线相连接。 然而由于金属波导具有高功率容量和高Q 值的特性，因此是毫米波亚毫米波频段进行端口连接和传出的重要结构。 在毫米波电路和系统中经常需要进行这两种传输线形式的转换。 这些转换装置要实现阻抗变换和过渡连接的功能。 因此，设计宽频带、低损耗及结构紧凑的微带波导转换结构是进行毫米波MMIC 电路研究的基础。

文中从工程实际出发，对各种波导微带过渡方式进行理论分析和比较， 最终采用H 面的波导微带探针转换结构，并使用三维电磁仿真软件HFSS 对Ka 波段全带宽的背靠背的波导微带转换结构[1-2]进行了仿真。 仿真结果表明在26.5-40 GHz 的波导全带宽内，端口的反射系数小于-20 dB，带内损耗小于0.3 dB。

1 过渡结构的选型

标准的矩形波导与微带转换结构有多种转换形式[3-6]，分别对各频段波导微带的过渡结构进行相应的研究设计。 波导到微带的过渡方式根据过渡方式的不同有如下几种：波导微带开槽过渡、波导微带鳍线过渡和波导微带探针过渡。 下面分别对以上几种过渡方式进行相应的简单理论分析。 实际上微带探针型波导微带探针过渡结构是从同轴探针结构发展而来的， 同轴探针过渡结构如图1 所示。 由于工作频率，损耗，驻波等限制，在实际工程中逐渐应用波导微带探针过渡结构代替同轴波导过渡结构。

图1 同轴微带过渡结构Fig. 1 Coaxial-microstrip transition structure

在波导微带过渡的结构中，波导微带鳍线过渡结构是一种比较常用的过渡结构，如图2 所示。 该过渡结构是采用对级鳍线实现的，是微带和波导进行场转换以及阻抗匹配的一种共轴过渡结构。 鳍线方式的过渡具有结构简单，带宽较宽等特点。 过渡的鳍线结构线型可选择为指数型曲线、余弦型曲线或其它曲线结构。 波导微带脊波导过渡是采用从波导宽边延伸出的脊波导作为波导到微带的阻抗变换一种过渡方式，该过渡形式损耗较小、带宽较宽，然而由于脊波导过渡对机械加工的要求很高，其性能很大程度依赖于脊波导过渡末端金属脊和微带的接触，导致实际装配中很难保证重复性和一致性， 因此这种过渡方式很难保证过渡性能的一致性，实际的工程应用中一般不采用该过渡方式。 基于电磁场耦合的波导微带探针过渡是目前毫米波频段使用最为广泛的过渡形式，因为其具有插损小、结构简单、尺寸小、带宽宽等特点，它是将微带探针通过波导宽边或窄边开孔插人波导腔中，通过插入波导腔中微带探针把波导中的电磁场耦合到微带上，如图3 所示。 矩形波导中距离过渡探针的四分之一波长的短路面起到保证探针在波导内处于最大电压，即电场最强位置的作用。 它的优点是插入损耗低，具有较大工作带宽，且其结构紧凑，加工方便，装卸容易。

图2 波导微带鳍线过渡结构Fig. 2 Waveguide-microstrip fin line transition structure

图3 波导微带过渡结构Fig. 3 Waveguide-microstrip transition structure

微带探针型波导微带探针过渡结构是从同轴探针结构发展而来，通过一段起耦合探针作用的微带线把波导中的电场耦合到微带线中，然后利用高感抗线与四分之一波长的阻抗变换器实现探针与微带线的阻抗匹配。 通常为减小由于阻抗不匹配带来的过渡结构插损过大的影响和增加过渡结构的工作带宽，通常采用如图4 所示的结构。

图4 探针过渡阻抗渐变结构Fig. 4 Probe gradual transition impedance structure

根据传统的波导微带结构模型， 在Ka 波段为了实现全带宽低插损、结构紧凑的波导微带过渡结构，本论文选用H面波导微带探针过渡结构，并在探针过渡处采用阻抗渐变的方式以增加该结构的工作带宽，如图5 所示。 介质基片穿过矩形波导安装，已提供一个波导窗并提供定位保证，从而构成一种密封的过渡结构。 在该过渡结构中，微带探针与整个微带电路制作在一块PCB 电路板上，具有结构简单，重复性好的特点。

图5 本文设计的波导微带过渡结构Fig. 5 Design of our waveguide-microstrip transition structure

在该结构中，微带线导体带面向波导短路面放置，进入波导的微带线截至底面无金属层，50 欧姆的微带线通过阻抗变换线过渡到高阻线，进而过渡到低阻线，经过两次阻抗变换实现探针的过渡。 采用高阻线可以减小微带线与波导缝隙之间的耦合电容，高阻线两端采用渐进过渡的方式完成阻抗匹配，以达到宽频带工作的目的。

2 仿真结果

采用三维电磁仿真软件对该波导微带探针进行建模仿真和优化。 该背靠背的H 面波导微带探针过渡如图6 所示，仿真曲线如图7 所示。 从仿真结果可以看出，该波导微带过渡在Ka 波段的全带宽内达到了很好的仿真结果。 该波导微带过渡在26 到40 GHz 的全频段范围

内的反射系数小于-20 dB，插损小于-0.3 dB，该结构的仿真结果可以很好地满足实际工程的指标需求。

图6 波导微带过渡结构Fig. 6 Waveguide-microstrip transition structure

图7 波导微带过渡结构的仿真结果Fig. 7 Simulation results of Waveguide-microstrip transition structure

3 结 论

本文对Ka 波段全带宽的H 面波导微带探针过渡结构进行了仿真设计，实现了在Ka 波段全带宽范围内良好的效果，利用三维电磁仿真软件HFSS 对该结构进行了仿真设计和优化，仿真结果表明：背靠背的H 面波导微带过渡结构实现了在全频带26.5-40 GHz 的频段内实现了插损小于0.3 dB，端口反射系数小于20 dB 的设计结果。 该结构在实际工程应用中具有很高的工程使用价值。

[1] Grabherr W，Huddcr B，Menzel W. Microstrip to Waveguide Transition Compatible with mm-Wave Integrated Circuit [J].IEEE Trans Microwave Theory Technology，1994，42（9）:1820-1843.

[2] Leong YC，Weinreb S. Full Band Waveguide-to-Microstrip Probe Transitions[C].IEEE MTT-S Digest，1999:1435-1438.

[3] 梁新辉，韩良，王蹨仪. 毫米波波导到微带转换的研究[J].微波学报，1991（4）:44-51.

[4] 张春燕. K波段波导-微带转换装置的设计[J]. 真空电子技术，2013（2）:39-42.

[5] 田兵. Ka频段宽带波导微带过渡设计 [J]. 数字技术与应用， 2013（12）:138-139.

[6] 党章. Ku频段高效大功率合成放大器设计[D]. 成都：电子科技大学，2008.